مسارات نقل الإشارة Signal Transduction Pathways

الوسائل او المسارات التي تسمح للخلايا بالاستجابة للإشارات البيئية المحيطة بها الموجودة في جميع الكائنات الحية. وبذا فهي تعني اي عملية يمكن بواسطتها للخلايا تحويل اي نوع من الإشارات او المحفزات الى آخر . ويكون نقل الإشارات ضمن أحداث متوالية من التفاعلات الكيموحيوية داخل الخلية التي تتم بواسطة الإنزيمات (في أغلبالأحيان) التي تنشط بالمراسلات الثانوية . وتكون هذه العمليات في أغلب الأحيان سريعة وتستغرق أجزاء من الثانية Milliseconds كما في حالة دفق الايونات او تستغرق بعض الأحيان دقائق كما في تنشيط تفاعلات إنزيمات الكاينيزات المرتبطة بالبروتينات او الدهون ، والبعض منها يستغرق ساعات او أيام كما في التعبير عن بعض الجينات . وفي هذه المسارات يتم تضخيم المحفزات الصغيرة لحث او إثارة استجابة كبيرة وواضحة في الخلايا . فالجزيئات الصغيرة في الأغذية ونكهاتها يتم التحسس بها وشمها من تداخل خلايا حساسة متخصصة .
ويتم التحسس بواسطة دوائر جزئية يتم تضخيمها اعتماداً على إشارات خارجية لتوليد الاستجابات مثل تغير فعالية الإنزيمات او التعبير الجيني او القنوات المسئولة عن الايونات . وعملية نقل الإشارات من خارج الخلايا الى ان تصل أهدافها تشمل عدة مراحل . المرحلة الأولى تتم عند الأغشية الخارجية للخلايا بالنسبة للمواد الخارجية المحبة للماء والتي لا تنقل عبر الأغشية الخلوية وانما يتم نقل تأثيرها فقط ، اما المواد المحبة للدهون فيمكن ان تعبر الأغشية لتصل الى أهدافها ربما بدون تضخيم . وفي الحالة الأولى تحوي الخلايا على المستلمات التي تمثل بروتينات أصلية مدمجة في الأغشية الخلوية ومكونة من أجزاء تستعرض الأغشية الخلوية ، يكون جزءا منها واقعاً خارج الغشاء الخلوي ، وجزء مطمور في الغشاء الخلوي وجزء ثالث يوجد على السطح الداخلي للغشاء الخلوي.
والجزء الواقع الى خارج الغشاء يحمل موقع للارتباط بجزيئات الإشارة التي يطلق عليها الربائط Ligands ومنها الروائح التي ترتبط الى مستلمات الروائح Odorant Receptors في الطبقة الطلائية للأنف ، وكذلك المواد ذات الطعم المر والحلو التي تحفز مستلمات التذوق في براعم التذوق في الانسان ، كما ان بعض المواد يمكن ان تحفز​الاستجابات المناعية ، ومواقع الارتباط هذه مشابه لمواقع الارتباط للإنزيمات ولكن دون ان تشارك في التفاعل الإنزيمي المعروف ، ويوجد عدة أنواع من المستلمات الغشائية التي تتخصص بالربائط التي ترتبط معها ، كما ان بعض المستلمات تكون داخل الخلايا مثل المستلمات النووية والمستلمات السايتوبلازمية وتكون بمثابة بروتينات ذائبة وتكون ربائط المستلمات النووية هي الهرمونات المحبة للدهون ومشتقات فيتامين D و A وارتباط المستلمات مع الربائط يؤدي الى تغيرات شكلية في تركيب المستلم وبضمنها الأجزاء الداخلية ولكنها لا تكون كافية لإعطاء الاستجابة ، وتكون التفاعلات هي بمثابة الرسالة الأولية التي يجب ان تنقل الى مكون آخر لتغير تفاعلات الخلية ،والمكونات الأخرى هي المراسلات الثانوية Second Messengers ومن أهمها cGMP و cAMP وايونات الكالسيوم ومركب IP3) Inositol 1,4,5-Triphosphate) وDAG) Diacylglycerol) والتي تمثل الخطوة الثانية من الدائرة الجزئية ، وجزيئات الرسائل الثانوية تكون في اغلب الأحيان قادرة على الانتشار عبرمكونات الخلية مثل النواة التي يمكن ان تؤثر هناك في التعبير الجيني ، وإنتاج الرسائل الثانوية يؤدي الى تضخيم الإشارة وبذلك فان الإشارة مهما كانت صغيرة وقد تكون متمثلة بجريئة واحدة يمكن ان تنتج استجابة كبيرة داخل الخلية . وتستعمل المراسلات الثانوية في مسارات نقل الإشارات متعددة وهذا يؤدي الى إيجاد فرص لحدوث المشاكل ، ولذلك فان تزويد مسارات نقل الإشارة بالمعلومات يطلق عليه Crostalk والذي يمكن ان يؤثر في تراكيز جزيئات الرسائل الثانوية وبالتالي تسمح بعمليات تنظيم دقيقة في فعالية الخلايا أكثر من تأثير مسارات مستقلة فردية ، ولكن مع هذا يمكن ان تسبب الرسائل الثانوية بعض الاضطرابات الخلوية .
اما الخطوة القادمة لنقل المعلومات هو ان الرسائل الثانوية تحفز الاستجابات وذلك بتنشيط كاينيزات البروتينات التي تقوم بنقل مجاميع الفوسفات من ATP الى ثمالات خاصة في البروتينات مثل السيرين والثريونين والتايروسين والتي يمكن ان تزال منها مجاميع الفوسفات بPhosphatases مقابلة وهي إنزيمات تقوم بالتحليل المائي لإزالة مجاميع الفوسفات من البروتينات التي تم تحويرها بالارتباط بالفوسفات .
وتمثل عملية إزالة الفوسفات إحدى الآليات التي تنتهي بها مسارات نقل الإشارة والتي تكون مهمة لبدء عملية نقل إشارات جديدة بعد ان تكون العملية الأولية قد أدت مهماتها ، وتستمر المكونات التي تم تحفيزها . فضلا عن ان إنهاء العملية ضرورة لان الخلايا التي تفقد قابلية انهاء عملية نقل الإشارة تؤدي الى نمو الخلايا بشكل غير مسيطرعليه وتؤدي الى توليد الأورام .

وعند سير عمليات نقل الإشارات يتم التضخيم في كل خطوة الى ان تصل الإشارات الى أهدافها وهي في معظم الأحيان تحفيز عوامل الانتساخ وقد تكون الجزيئات في المراحل الأخيرة من المسار هي عوامل انتساخ بحد ذاتها مما يؤدي الى تحفيز التعبير الجيني الذي يؤدي الى إنتاج البروتينات وبضمنها الإنزيمات المؤثرة في استجابة الخلايا وتحديد نمطها المظهري تحت تأثير الظروف البيئية ، ويمكن ان تعطي إشارات للخلايا لتنشيط مسارات الاستماتة Apoptosis عندما تكون الإشارات ضارة بالخلايا . ولذلك فان نقل الإشارات يعد المحور الأساسي للعمليات الحيوية وعليه فان اي اضطراب في عملها او تنظيمها يؤدي الى عدد كبير من الأمراض . ويوضح الشكل التالي مخططاً بسيط لبعض المسارات ونواتجها التي يمكن ان تحدث للخلايا .

ومثل هذه العمليات المعقدة تحدث في الخلايا بدائية النواة البسيطة التي تحسس الحوافز والإشارات من البيئة المحيطة بوسائل مختلفة ، وتستطيع الأحياء المجهرية مثل البكتريا التحسس بالمتغيرات المحيطة بواسطة أجهزة تحسس توجد في الغلاف الخارجي للبكتريا ، وخلال هذه الأنظمة تنقل الإشارات لتؤدي إلى حث مسارات خاصة مكونة من نوعين من المسارات ، أول هذه المسارات هوHistidine Kinase اذ يعاني هذا الأنزيم من الفسفرة الذاتية بواسطة ATP عند الثمالة الحاوية على الهستدين لينقل مجموعة الفوسفات إلى جزيئة أخرى ، وعند تأثر الأنزيم المذكور بالظروف المحيطة ونقل مجموعة الفوسفات اليه يقوم بنقلها إلى المكون الثاني المسمى بمنظم الاستجابة Response Regulator الذي تضاف إليه الفوسفات لثمالة الاسبارتات Aspartate والفسفرة الأخيرة تؤدي إلى التأثير في عمليات التعبير عن بعض الجينات الخاصة مما يؤدي إلى تغير الفعاليات الحيوية تبعاً للاستجابة المستلمة.